拉曼光譜(Raman spectra)，是一種散射光譜。拉曼光譜分析法是基于印度科學(xué)家C.V.拉曼(Raman)所發(fā)現(xiàn)的拉曼散射效應(yīng)，對(duì)與入射光頻率不同的散射光譜進(jìn)行分析以得到分子振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)方面信息，并應(yīng)用于分子結(jié)構(gòu)研究的一種分析方法。

1、拉曼光譜的發(fā)展歷史

　　印度物理學(xué)家拉曼于1928年用水銀燈照射苯液體，發(fā)現(xiàn)了新的輻射譜線(xiàn)：在入射光頻率ω0的兩邊出現(xiàn)呈對(duì)稱(chēng)分布的，頻率為ω0-ω和ω0 ω的明銳邊帶，這是屬于一種新的分子輻射，稱(chēng)為拉曼散射，其中ω是介質(zhì)的元激發(fā)頻率。拉曼因發(fā)現(xiàn)這一新的分子輻射和所取得的許多光散射研究成果而獲得了1930年諾貝爾物理獎(jiǎng)。與此同時(shí)，前蘇聯(lián)蘭茨堡格和曼德?tīng)査顾?bào)導(dǎo)在石英晶體中發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的現(xiàn)象，即由光學(xué)聲子引起的拉曼散射，稱(chēng)之謂并合散射。

　　法國(guó)羅卡特、卡本斯以及美國(guó)伍德證實(shí)了拉曼的觀察研究的結(jié)果。然而到1940年，拉曼光譜的地位一落千丈。主要是因?yàn)槔?yīng)太弱(約為入射光強(qiáng)的10-6)，人們難以觀測(cè)研究較弱的拉曼散射信號(hào)，更談不上測(cè)量研究二級(jí)以上的高階拉曼散射效應(yīng)。并要求被測(cè)樣品的體積必須足夠大、無(wú)色、無(wú)塵埃、無(wú)熒光等等。所以到40年代中期，紅外技術(shù)的進(jìn)步和商品化更使拉曼光譜的應(yīng)用一度衰落。1960年以后，紅寶石激光器的出現(xiàn)，使得拉曼散射的研究進(jìn)入了一個(gè)全新的時(shí)期。由于激光器的單色性好，方向性強(qiáng)，功率密度高，用它作為激發(fā)光源，大大提高了激發(fā)效率。成為拉曼光譜的理想光源。隨探測(cè)技術(shù)的改進(jìn)和對(duì)被測(cè)樣品要求的降低，目前在物理、化學(xué)、醫(yī)藥、工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域拉曼光譜得到了廣泛的應(yīng)用，越來(lái)越受研究者的重視。

　　70年代中期，激光拉曼探針的出現(xiàn)，給微區(qū)分析注人活力。80年代以來(lái)，美國(guó)Spex公司和英國(guó)Rrinshow公司相繼推出，位曼探針共焦激光拉曼光譜儀，由于采用了凹陷濾波器(notchfilter)來(lái)過(guò)濾掉激發(fā)光，使雜散光得到抑制，因而不在需要采用雙聯(lián)單色器甚至三聯(lián)單色器，而只需要采用單一單色器，使光源的效率大大提高，這樣入射光的功率可以很低，靈敏度得到很大的提高。Dilo公司推出了多測(cè)點(diǎn)在線(xiàn)工業(yè)用拉曼系統(tǒng)，采用的光纖可達(dá)200m，從而使拉曼光譜的應(yīng)用范圍更加廣闊。

　　2、拉曼光譜的原理

　　2.1、瑞利散射與拉曼散射

　　當(dāng)一束激發(fā)光的光子與作為散射中心的分子發(fā)生相互作用時(shí)，大部分光子僅是改變了方向，發(fā)生散射，而光的頻率仍與激發(fā)光源一致，這種散射稱(chēng)為瑞利散射。但也存在很微量的光子不僅改變了光的傳播方向，而且也改變了光波的頻率，這種散射稱(chēng)為拉曼散射。其散射光的強(qiáng)度約占總散射光強(qiáng)度的10-6～10-10。拉曼散射的產(chǎn)生原因是光子與分子之間發(fā)生了能量交換改變了光子的能量。
2.2、拉曼散射的產(chǎn)生

　　光子和樣品分子之間的作用可以從能級(jí)之間的躍遷來(lái)分析。樣品分子處于電子能級(jí)和振動(dòng)能級(jí)的基態(tài)，入射光子的能量遠(yuǎn)大于振動(dòng)能級(jí)躍遷所需要的能量，但又不足以將分子激發(fā)到電子能級(jí)激發(fā)態(tài)。這樣，樣品分子吸收光子后到達(dá)一種準(zhǔn)激發(fā)狀態(tài)，又稱(chēng)為虛能態(tài)。樣品分子在準(zhǔn)激發(fā)態(tài)時(shí)是不穩(wěn)定的，它將回到電子能級(jí)的基態(tài)。若分子回到電子能級(jí)基態(tài)中的振動(dòng)能級(jí)基態(tài)，則光子的能量未發(fā)生改變，發(fā)生瑞利散射。如果樣品分子回到電子能級(jí)基態(tài)中的較高振動(dòng)能級(jí)即某些振動(dòng)激發(fā)態(tài)，則散射的光子能量小于入射光子的能量，其波長(zhǎng)大于入射光。這時(shí)散射光譜的瑞利散射譜線(xiàn)較低頻率側(cè)將出現(xiàn)一根拉曼散射光的譜線(xiàn)，稱(chēng)為Stokes線(xiàn)。如果樣品分子在與入射光子作用前的瞬間不是處于電子能級(jí)基態(tài)的zui低振動(dòng)能級(jí)，而是處于電子能級(jí)基態(tài)中的某個(gè)振動(dòng)能級(jí)激發(fā)態(tài)，則入射光光子作用使之躍遷到準(zhǔn)激發(fā)態(tài)后，該分子退激回到電子能級(jí)基態(tài)的振動(dòng)能級(jí)基態(tài)，這樣散射光能量大于入射光子能量，其譜線(xiàn)位于瑞利譜線(xiàn)的高頻側(cè)，稱(chēng)為antiStokes線(xiàn)。Stokes線(xiàn)和anti-Stokes線(xiàn)位于瑞利譜線(xiàn)兩側(cè)，間距相等。Stokes線(xiàn)和anti-Stokes線(xiàn)統(tǒng)稱(chēng)為拉曼譜線(xiàn)。由于振動(dòng)能級(jí)間距還是比較大的，因此，根據(jù)波爾茲曼定律，在室溫下，分子絕大多數(shù)處于振動(dòng)能級(jí)基態(tài)，所以Stokes線(xiàn)的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于anti-Stokes線(xiàn)。拉曼光譜儀一般記錄的都只是Stokes線(xiàn)。

　　2.3、拉曼位移(RamanShift)

　　斯托克斯與反斯托克斯散射光的頻率與激發(fā)光源頻率之差Δν統(tǒng)稱(chēng)為拉曼位移(RamanShift)。斯托克斯散射的強(qiáng)度通常要比反斯托克斯散射強(qiáng)度強(qiáng)得多，在拉曼光譜分析中，通常測(cè)定斯托克斯散射光線(xiàn)。拉曼位移取決于分子振動(dòng)能級(jí)的變化，不同的化學(xué)鍵或基態(tài)有不同的振動(dòng)方式，決定了其能級(jí)間的能量變化，因此，與之對(duì)應(yīng)的拉曼位移是特征的。這是拉曼光譜進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)定性分析的理論依據(jù)。

　　2.4、拉曼譜參數(shù)

　　拉曼譜的參數(shù)主要是譜峰的位置和強(qiáng)度。峰位是樣品分子電子能級(jí)基態(tài)的振動(dòng)態(tài)性質(zhì)的一種反映，它是用入射光與散射光的波數(shù)差來(lái)表示的。峰位的移動(dòng)與激發(fā)光的頻率無(wú)關(guān)。拉曼散射強(qiáng)度與產(chǎn)生譜線(xiàn)的特定物質(zhì)的濃度有關(guān)，成正比例關(guān)系。而在紅外譜中，譜的強(qiáng)度與樣品濃度成指數(shù)關(guān)系。)樣品分子量也與拉曼散射有關(guān)，樣品分子量增加，拉曼散射強(qiáng)度一般也會(huì)增加。對(duì)于一定的樣品，強(qiáng)度I與入射光強(qiáng)度I0、散射光頻率ns、分子極化率a有如下關(guān)系：I=CI0ns4a2(這里C是一個(gè)常數(shù))。

2.5、拉曼散射的選擇定則

　　外加交變電磁場(chǎng)作用于分子內(nèi)的原子核和核外電子，可以使分子電荷分布的形狀發(fā)生畸變，產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極矩。極化率是分子在外加交變電磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極矩大小的一種度量。極化率高，表明分子電荷分布容易發(fā)生變化。如果分子的振動(dòng)過(guò)程中分子極化率也發(fā)生變化，則分子能對(duì)電磁波產(chǎn)生拉曼散射，稱(chēng)分子有拉曼活性。有紅外活性的分子振動(dòng)過(guò)程中有偶極矩的變化，而有拉曼活性的分子振動(dòng)時(shí)伴隨著分子極化率的改變。因此，具有固有偶極矩的極化基團(tuán)，一般有明顯的紅外活性，而非極化基團(tuán)沒(méi)有明顯的紅外活性。拉曼光譜恰恰與紅外光譜具有互補(bǔ)性。凡是具有對(duì)稱(chēng)中心的分子或基團(tuán)，如果有紅外活性，則沒(méi)有拉曼活性；反之，如果沒(méi)有紅外活性，則拉曼活性比較明顯。一般分子或基團(tuán)多數(shù)是沒(méi)有對(duì)稱(chēng)中心的，因而很多基團(tuán)常常同時(shí)具有紅外和拉曼活性。當(dāng)然，具體到某個(gè)基團(tuán)的某個(gè)振動(dòng)，紅外活性和拉曼活性強(qiáng)弱可能有所不同。有的基團(tuán)如乙烯分子的扭曲振動(dòng)，則既無(wú)紅外活性又無(wú)拉曼活性。